[发明专利]一种能够测试岩石三轴强度参数的多功能钻头破岩实验装置及方法

说明书

本发明公开了一种能够测试岩石三轴强度参数的多功能钻头破岩实验装置，它包括主体装置、压头结构、围压系统、声发射系统、温度控制系统和孔隙物料注入系统。本发明的有益效果是：能够在密闭环境下模拟地层真实的温度，地应力，孔隙压力，同时完成三轴力学测试和钻头破岩测试，可以测定岩样的应力应变曲线，钻头、钻柱的动态振动、钻压、进尺对岩样破碎的影响，为多种条件下复杂油气藏力学性质和钻头破岩研究提供实验依据，并且在测试岩石常规力学性质的同时进行破岩实验，达到设计温度压力条件后可一次性完成两个实验，总体耗时短，能有效提高井下岩心的利用率。

技术领域

本发明涉及石油与天然气工程领域，特别是一种能够测试岩石三轴强度参数的多功能钻头破岩实验装置及方法。

背景技术

我国经过半个多世纪的勘探与开发，浅层常规油气资源勘探开发程度越来越高，为了缓解国内油气供需压力，国家把深层油气资源与海洋及深水油气资源和非常规油气资源并列为国家油气战略发展的三大领域。

深层油气资源一般赋存在6000米以上的深层地层中，岩石致密，三向地应力高、孔隙压力大、温度高等都是制约我国深层油气资源开采的关键问题。针对该类岩层，钻井耗时长、成本高、钻具易损坏和岩石的可钻性研究困难成为制约深层油气资源开发的主要瓶颈。而目前可以通过加温度变化及孔隙压力变化来模拟真实地层条件的破岩装置几乎没有。如CN 104749052 A，CN 104237484 A，CN 104297049 A和CN 104198311 A中破岩都是处于常温常压的开放环境中，无法对岩样进行加温、加孔隙压力等操作。而由于温度和孔隙压力、孔隙介质的变化，岩石的力学性质及与钻头作用机理将产生显著的变化，故不能采用常规破岩装置来研究深层油气岩层的破岩问题。

地热资源的开发，主要面临着地层温度高（中温地热为90到150℃，而高温地热资源则在150℃以上），岩石坚硬致密，钻井、压裂难度大等实际问题。而目前可以通过加温度变化来模拟真实地热开发有关地层条件的破岩装置几乎没有。如CN 104749052 A，CN104237484 A，CN 104297049 A和CN 104198311 A中破岩都是处于常温常压的开放环境中，无法对岩样进行加温或者无法达到150℃以上（常规水浴加热最高仅能达到100℃）。而由于温度和孔隙压力、孔隙介质的变化，岩石的力学性质及与钻头作用机理将产生显著的变化，故不能采用常规破岩装置来研究地热开采相关的破岩问题。

天然气水合物，作为深水油气资源中和非常规油气资源的重要组成之一，也面临着极大的开发难度。天然气水合物俗称“可燃冰”，由沙土、水和甲烷在低温高压的条件下结合而成的冰状固体，对温度、压力条件极为敏感，极易在应力干扰和微裂缝较多时从固体变为气体，迅速分解并将甲烷逸散到海水和空气中，成为巨大的安全隐患，将对生态环境造成严重的威胁。目前可以在密闭条件下，通过调整温度变化和压力变化来模拟真实天然气水合物开发时的低温（-10℃）条件的破岩装置几乎没有。如CN 104749052 A，CN 104237484A，CN 104297049 A和CN 104198311 A中破岩都是处于常温常压的开放环境中。而其他天然气水合物相关实验装置又无法满足破岩实验的需求。故不能采用常规破岩装置来研究天然气水合物开采相关的破岩问题。

另一方面，目前的破岩实验装置仅能完成破岩这一目的，不能在破岩的同时测得岩石的力学性质。而由于井下取样困难、花费极大，井下岩样的珍贵，若能将岩石力学性质测试和破岩实验同时进行，将大大节约实验资金投入和对井下岩心岩样的最大化利用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种能够测试岩石三轴强度参数的多功能钻头破岩实验装置及方法。